Premiers pas vers l’upgrade du système de déclenchement d’ATLAS : le démonstrateur LArg 1 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

2 Sommaire : Partie électronique 1.ATLAS et L’Argon liquide 2.Système de déclenchement 3.Chaine de lecture 4.Carte ABBA : démonstrateur 5.Carte AMC

1. Détecteur ATLAS Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 3

1. Calorimètre à Argon liquide A quoi ça sert ? - Arrête les particules, absorbe et mesure leur énergie - Identification des photons et électrons Quelques chiffres : cellules - Signaux toutes les 25 ns - Ca fait beaucoup !!! On ne peut tout analyser !!! - Sélection des bons évènements - Besoin d’un « système de déclenchement » Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 4

2. Système de déclenchement pour 2019 Comment ça marche ? - Une collision génère des gerbes dans calorimètre - Segmentation en « Tour de Trigger » -> Cônes de cellules de différentes granularités - On regarde énergie déposée dans ces cônes -> Somme analogique des signaux -> Application de seuils - Si énergie suffisante dans ces «Tour de Trigger » -> On peut lire les signaux issus des cellules touchées Performance du déclenchement L1A : - On passe de 40MHz à ~100KHz Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 5 Gerbe électromagnétique Trigger Tower 4x4 middle

2. Système de déclenchement On arrivera aux limites du système !!! - Luminosité augmente : beaucoup plus d’évènements, empilement possible… - On va être un peu perdu, on peut manquer des choses Qu’est ce qu’on peut faire ? - Augmentation de la granularité du système, filtrage numérique sur la sélection Granularité - Tour de trigger actuelle : -> 60 cellules - « Super cellule » future : -> 24 cellules Numérisation - On numérise le tout au plus tôt Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 6

3. Chaine de lecture Actuellement - Déclenchement analogique par les « Tour de Trigger », numérisation en surface Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 7 Déclenchement analogique Lecture des données utiles

3. Chaine de lecture Futur : Déclenchement analogique et numérique en parallèle : on garde les 2 systèmes Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 8 On est ici !! Déclenchement analogique Déclenchement numérique

4. Carte ABBA (A TCA B oard for a B aseline of A cquisition ) A quoi elle sert ??? - Réception des données issues d’une carte « Front End LTDB » -> 40 fibres optiques en entrée -> 4.8Gbps par fibre optique - On s’en sert un peu comme oscilloscope -> On veut comprendre ce qui arrive -> Stockage des données dans une mémoire circulaire -> Envoi des données intéressantes sur le réseau 10GbE -> Paramétrage du nombre d’échantillons lus, type de déclenchement… -Envoi des données via le réseau 10GbE -Format ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 9

4. Carte ABBA A quoi elle ressemble ??? Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/ liens optiques 4.8 Gbps - Connexion LTDB Front FPGA : Altera Stratix IV - Réception données - Sélection - Mise au format ATLAS Back FPGA : Altera Stratix IV - Gestion 2 Front FPGA - Gestion requêtes 10Gbe TTC : Trigger Timing Control - Horloge LHC - Signaux déclenchement Connexion réseau 10GbE - Switch 10GbE - Fond de panier ATCA IPMC - Protocole maitre du châssis Alimentation - 48V

4. Carte ABBA Intégration : châssis « Front End » - Fond de panier d’un châssis « Front End » modifié - 2 cartes « Front End LTDB (LArg Trigger Digital Board) » installées Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 11

4. Carte ABBA Intégration : châssis USA cartes ABBA installées au CERN (USA15) -> Juillet Tests en cours -> Debug firmware, stabilité système… -> On a vu les premiers signaux de calibration !!! Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 12 Carte ABBA0 : LTDB BNL Carte ABBA1 : LTDB LAL/SACLAY Switch 10GbE central

5. Carte AMC (A dvanced M ezzanine C ard ) Design - Même densité que ABBA sur format mezzanine -> Utilisation nouvelle technologie -> FPGA ALTERA 20 nm -> Tx/Rx optiques uPOD - Fonctionnalités -> 48 fibres optiques Tx/Rx -> Ports 1GbE, 10Gbe,GBT…. -> Filtrage numérique - 1 er Prototype -> en cours de CAO et attendu début 2015 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14 13

Sommaire : Partie informatique 5. Lecture de la carte ABBA + Acquisition des données 6. Structure et éléments du système 7. Acquisition 8. IPbus 9. TDAQ 10. Systèmes de test 11. Tests 12. Eléments livrés a la collaboration 14 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

5. Lecture de la carte ABBA + Acquisition des données 15 LTDB Front FPGA Back FPGA PC Running TDAQ Event builder Carte ABBA 48 Liens LTDB Lien 10 GbE Lien 1 GbE Lien XAUI Full event Données Formattage ROD + Paquets IPbus Couches Ethernet IP UDP Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

6. Structure et éléments du système 16 Switch 10GbE et une carte ABBA dans un châssis ATCA, PC avec 2 ports 10GbE. 2 fibres optiques entre le PC et le switch. Connexion 10GbE entre le Switch et la carte ABBA par le fond de panier ATCA. Connexion 1GbE entre le PC et l’Event Builder. Fibres optiques entre la carte ABBA et le LTDB PCPC Chassis ATCA SWITCHSWITCH ABBAABBA EBEB LTDB Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

7. Acquisition Utilisée pour contrôler et configurer les cartes ABBA en utilisant TDAQ (Trigger and Data Acquisition System) et le systeme online de Lar. Différents programmes indépendants ont été développés pour tester les différents éléments. La connexion avec la carte ABBA se fait à 10 GbE en utilisant IPbus. Données récupérées depuis la carte ABBA de manière asynchrone (trames ROD). Des full events sont ensuite construits et envoyés à l’Event Builder pour la reconstruction des données. 17 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

8. IPbus 18 Utilisation d’uHal issu du projet CACTUS, un projet de CMS uHal : user-facing Hardware Access Library Fournit des librairies C++ pour l’accès au hardware avec le protocole Ipbus Utilisation d’IPbus version 2.0 Utilisation possible de TCP ou UDP, mais uniquement l’UDP est utilisé pour ABBA Facile à implémenter et peu consommateur en ressources dans les FPGA, fiable avec la version 2.0 d’IPbus Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

8. Trames données 19 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

20 8. Packets IpBus 2.0 Basé sur des mots de 32b Taille max de 1500b (envoi ou réponse) Header dans chaque paquet pour la fiabilité 3 types de paquets: Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

21  Possibilité d’avoir de multiples paquets IPbus dans un paquet UDP s’il reste sous la taille maximale  Example : transaction de lecture Envoi : F F Réponse: F Packets IpBus 2.0 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

9. TDAQ TDAQ (Trigger and Data Acquisition System) La configuration et l’acquisition des données de la carte ABBA sont faites au travers d’un segment de TDAQ utilisé pour configurer, contrôler, monitorer et lire les données. 22 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

9. TDAQ 23 ABBA IPBUS Status Config Crate Controller Mapping ABBA Register OKS Config Histo Event ABBA IGUI Command IP/UDP TDAQ ATCA Shelf -start -stop -config … Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

24 9. Lecture d’ABBA dans TDAQ Envoi des données a l’Event Builder Lecture buffer status word Carte ABBA TDAQ Création d’un full event avec les données lues Si on a des données a lire, Lecture de la fifo 1/x fois Event Builder TCP/IP 1GbE Transaction Ipbus 10GbE Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

10. Systèmes de test Configurations de test : LAPP : TDAQ + ABBA dummy Châssis ATCA, ABBA + PC (ATCA) + Switch EMF (salle test CERN) : Banc de test autonome hors détecteur USA15 : Banc de test sur le détecteur avec le système existant 25 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

11. Tests Unitaires carte ABBA Front-end : Réseau / connexion Réponse aux trames ethernet ( inversion adresse mac ) Lecture / écriture des différents registres Lecture des données ( fifo ) Back-end : Test de la réponse au Ping Test de la réponse / requête ARP Envoi de trames Ethernet / IP / UDP Fiabilité Connexion concurrentes 26 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

11. Tests du système Front-end + Back-end ( avec uHal ) : Envoi de requêtes IPbus aux différents FPGA Lecture/écriture des registres Lecture des données Lectures parallèles des FPGA Tests de fiabilité Tests avec TDAQ : Import des modules ABBA pour TDAQ Modification des partitions existantes pour intégrer ABBA Tests du fonctionnement nominal (configuration + lecture des données ) Tests de fiabilité et stabilité 27 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14

12. Eléments livrés a la collaboration Programmes individuels : Reset Status des links Test des registres Readout ( performance + debug ) Outil de conversion du format des évènements Partitions : EMF_LTDB USA15_ABBA Données : Exemple de prise de données sur le détecteur format brut + formatée ( évènements ) 28 Nicolas Dumont Dayot/Jasmin Fragnaud- Réunion jeudi LAPP - 20/11/14